СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Российский патент 1996 года по МПК B22F7/04 C23C4/00 C23C10/06 

Изобретение относится к машиностроению и преимущественно может быть использовано для прецизионного легирования тонких листов, оболочек, для обслуживания поверхности "несмачивающим" материалом под последующую пайку химически пассивным припоем.

Известно открытие [1] заключающееся в особо высокой скорости диффузии легирующей компоненты в кристаллическое тело при некоторой оптимальной скорости удара инструмента по поверхности, контактирующей с легирующим материалом. За миллисекундную длительность процесса проходит диффузия на значительную глубину, причем скорость диффузии существенно превышает скорость диффузии для жидкой фазы легируемого материала. В экспериментах был установлен экстремальный характер деформационного легирования: с некоторого уровня интенсификации параметров уменьшается величина диффузии. Экспериментально доказано, что максимум диффузии совпадает с максимумом однородной деформации (плотности дислокации) в зоне диффузии: при малой деформации смещения локализуется в одиночных "прачках скольжения" материала; при чрезмерной деформации локально изменяется температурно-скоростной режим деформации в связи с физико-механическими свойствами материала (анизотропия-локализация); при некоторой оптимальной деформации достигается относительная равномерность деформации по всему объему материала, в связи с чем равномерно продвигается весь фронт диффузии.

Недостатком известного процесса легирования ударом является относительная сложность обработки тонкостенных профильных поверхностей крупногабаритных заготовок, трудность дозирования интенсивности удара, необратимость пластической деформации (т.е. необходимость припусков).

Известны способы легирования поверхности ионными пучками, разогревом поверхности лучом злектронов или лазера, чем достигается легирование на глубину порядка микрометров. Механическое воздействие в этих процессах сугубо поверхностное, эффект открытия N 32-ОД-8928 не отмечается [1]
Недостатками легирования поверхности воздействием интенсивного излучения являются ограниченная возможность регулирования величины легирования, малая глубина легирования, неравномерность легирования обрабатываемой поверхности.

В качестве прототипа данного изобретения целесообразно принять процесс легирования деформацией ударом, который был использован для демонстрации эффекта аномально-высокой диффузии [2] Процесс состоит из нагрева заготовки до заданной температуры, введения на поверхность лигатуры (легирующего материала) и нанесения удара с заданной или оптимальной скоростью. Величина деформации заготовки при ударе зависит от многих параметров: материала заготовки, температуры, толщины заготовки, коэффициентов трения пары материал-инструмент, массы и кинетической энергии движущихся частей. Деформация заготовки при любых параметрах процесса будет тем более неравномерна, чем больше отношение диаметра деформируемой зоны к толщине заготовки. Большое влияние на равномерность деформации оказывает точность изготовления инструмента и заготовки.

Недостатки прототипа связаны в основном с принятой схемой деформации: максимальная по модулю относительная деформация заготовки направлена перпендикулярно легируемой поверхности, что ограничивает область применения узким диапазоном форм и толщин обрабатываемых изделий.

Цель изобретения расширение области использования.

Цель достигается тем, что в способе легирования поверхностных слоев твердых тел, включающем подачу лигатуры и осуществление деформации твердого тела, максимальную по модулю относительную деформацию твердого тела осуществляют в направлении, параллельном поверхности упомянутого тела.

Оптимально осуществлять деформацию в пластической области.

Деформацию можно осуществлять знакопеременной нагрузкой.

При этом область деформации можно ограничивать зоной локального нагрева участка твердого тела.

Деформацию преимущественно протяженных твердых тел с круглым сечением оптимально осуществлять кручением.

Деформацию тел можно также осуществлять изгибом, растяжением или посредством возбуждения в твердом теле высокочастотных колебаний.

Лигатуру можно подавать на всем протяжении процесса осуществления деформации твердого тела или в течение части процесса осуществления деформации твердого тела.

Изотропный материал при деформации имеет плоскости скольжения, направленные под углом 45^о к главным нормальным деформациям. Эти плоскости и соответственное им дислокационное течение материала являются наиболее проницаемыми каналами для лигатуры. Следовательно, для сокращения пути атомам лигатуры вглубь поверхностного слоя обрабатываемой заготовки выгоднее иметь плоскости скольжения, перпендикулярные к поверхности подвода лигатуры. Нагружение, дающее максимальную по модулю деформацию вдоль поверхности, даст плоскости скольжения такие же (под углом 45^о к поверхности) как удар, нормальный к поверхности.

Сущностью изобретения является обеспечение такого вида нагружения, который дает эффект скоростного легирования, свободный от недостатков нагружения ударом. Предлагаемый способ заключается в том, что максимальная по модулю относительная деформация направляется вдоль легируемой поверхности, при этом плоскости скольжения соответственно выходят на поверхность и подведенную лигатуру.

Для стержней и труб кручение, в том числе знакопеременное, обеспечивает выход плоскостей скольжения перпендикулярно к легируемой поверхности. Применение нагрева в узкой зоне пластического скручивания создает условия для повышения равномерности и обеспечения возможности дозирования глубины легирования. При такой обработке первоначальные размеры заготовки не изменяются.

Изгиб стержней, листов, в том числе знакопеременный, обеспечивает выход плоскостей, скольжения под углом 45^о к поверхности обработки. Применение нагрева и/или изгиба в узкой зоне создает условия для обеспечения равномерности и регулирования глубины легирования. Исходные размеры заготовок не изменяются.

Растяжение стержней листов, профилей любого сечения дает выход плоскостей скольжения под углом 45^о к поверхности легирования. Применение нагрева узкой зоне создает условия для обеспечения равномерности обработки поверхности и регулирования легирования.

Суперпозиция изгиба и кручения для круглых стержней и труб соответственно обеспечивает интерполированный (промежуточный по отношению к вышеописанным) результат.

Подвод лигатуры может быть осуществлен в виде паров, газов, порошков покрытий, ионов.

Частной, но очень эффективной областью применения предлагаемого способа легирования является пайка за счет обеспечения возможности нанесения на поверхность заготовки покрытия из материала припоя (обслуживание поверхности), при отсутствии химических реакций между припоем и основой, которые необходимы для удаления пассивирующих пленок в обычных условиях. Пластическая деформация, являющаяся результатом соответствующих операций предлагаемого способа, обеспечивает обнажение ювенильных слоев основы по плоскостям скольжения и создает условия смачивания обрабатываемой поверхности припоем.

Процесс растяжения-сжатия вдоль поверхности или кручения позволяют заключительные переходы операции легирования выполнить в отсутствии подачи лигатуры, что позволяет регулировать максимальную легированность поверхности.

Заявляемый способ был реализован на установке зонной нормированной деформации. Установка позволяет в вакууме растягивать стержень при нагреве узкой зоны стержня электронным кольцевым лучом или другим нагревателем. Локальная деформация осуществлялась в зоне максимального нагрева, нагреватель перемещался механизмом перемещения относительно стержня вдоль всей заданной длины обработки. Проводилось легирование поверхности кварцевой трубы вольфрамом. Источник нагрева в виде вольфрамовой обечайки нагревался до температуры Т= 2100^оС, излучением нагревал кварцевую трубу и одновременно служил источником паров лигатуры (вольфрама). Время обработки (напыления) на горячую часть трубы составляло 20 мин. По данным рентгеновского фазового анализа глубина проникновения легирующего материала составила 5 мкм. Контрольный опыт при тех же условиях без деформации дал глубину проникновения 1 мкм.

Предлагаемый способ позволяет создать условия для обеспечения регулируемого легирования преимущественно тонкостенных пространственно протяженных тел. При высокой производительности процесса обеспечивается возможность эффективного дозирования лигатуры при сохранении исходных геометрических параметров обрабатываемых заготовок.

Использование: в области машиностроения для осуществления прецизионного легирования преимущественно протяженных в пространстве тонкостенных заготовок и, кроме того, для обслуживания поверхности "несмачивающим" в обычных условиях материалом под последующую пайку химически пассивным припоем. В процессе подачи легирующего компонента осуществляют максимальную по модулю относительную деформацию обрабатываемой заготовки в направлении, параллельном поверхности последней. Рассмотрены наиболее оптимальные технологические приемы деформации и их комбинирование в сочетании с локальным нагревом узкой зоны заготовки. 9 з. п. ф-лы.

1. Способ легирования поверхностных слоев твердых тел, включающий подачу лигатуры и осуществление деформации твердого тела, отличающийся тем, что максимальную по модулю относительную деформацию твердого тела осуществляют в направлении, параллельном поверхности упомянутого тела. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что деформацию осуществляют в пластической области. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформацию осуществляют знакопеременной нагрузкой. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что область деформации ограничивают зоной локального нагрева участка твердого тела. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформацию осуществляют кручением. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформацию осуществляют изгибом. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформацию осуществляют растяжением. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформацию осуществляют посредством возбуждения в твердом теле высокочастотных колебаний. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что лигатуру подают на всем протяжении процесса осуществления деформации твердого тела. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что лигатуру подают в течение части процесса осуществления деформации твердого тела.